¡Viva el iterbio!
Los estados metaestables de larga duración detectados en iones atrapados abren nuevas perspectivas para la computación cuántica y los relojes atómicos
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Investigadores de las universidades de Ámsterdam y Nueva Gales del Sur han respondido a una pregunta que lleva décadas planteándose: si los iones del metal iterbio pueden alcanzar ciertos estados de larga duración y casi estables y, en caso afirmativo, durante cuánto tiempo. Los estados de larga duración medidos podrían tener aplicaciones en ordenadores cuánticos y relojes atómicos.
Dos iones Yb⁺ se mantienen en una trampa iónica. Uno de los iones se excita a estados metaestables mediante un rayo láser focalizado. El otro ion emite fluorescencia de forma continua y se utiliza para indicar la presencia del ion «oscuro» en el estado metaestable por su posición descentrada en la trampa iónica. La vida media del estado metaestable se mide registrando el momento en que el ion «oscuro» vuelve a emitir fluorescencia.
UVA IoP
Muchos relojes atómicos y ordenadores cuánticos modernos se basan en los denominados «iones atrapados». Los iones, que son átomos con carga eléctrica, pueden encontrarse en muchos estados diferentes, todos ellos con distintas cantidades de energía. Debido a su carga, estos iones pueden suspenderse en el espacio vacío y mantenerse en su sitio mediante campos electromagnéticos. El funcionamiento del reloj o del ordenador se basa, por tanto, en controlar con precisión qué estado energético ocupa dicho ion.
Investigadores de las universidades de Ámsterdam y Nueva Gales del Sur han descubierto ahora que el ion de iterbio (Yb⁺), uno de los principales candidatos para ambas tecnologías, puede permanecer en estados hasta ahora inexplorados durante períodos de tiempo sorprendentemente largos. En el laboratorio de Rene Gerritsma, en el Instituto de Física de la UvA, el equipo indujo a un único ion Yb⁺ a una variedad de los denominados estados metaestables (es decir, casi estables), excitándolo con láser hasta un nivel energético elevado. A partir de ahí, el ion decayó a estados de menor energía, algunos de los cuales resultaron ser también metaestables, de modo que el ion tardaría mucho tiempo en volver a su estado fundamental. De este modo, el equipo registró señales de desintegración correspondientes a vidas medias de aproximadamente 1 segundo y 10 segundos, e incluso encontró indicios de un estado con una vida media de más de 30 segundos. Los resultados se han publicado recientemente en la revista Physical Review A.
El doctorando Zeger Ackerman, primer autor de la publicación, explica: «Para que las mediciones fueran posibles, no nos limitamos a atrapar un solo ion, sino que, de hecho, atrapamos dos iones juntos. Uno de ellos se utilizó para las mediciones espectroscópicas, y el otro para enfriar y estabilizar continuamente el sistema sin alterar el estado metaestable que se estaba estudiando. Esto nos permitió observar cómo el ion permanecía en un estado metaestable y cronometrar con precisión su desintegración. A continuación, unos cálculos detallados de la estructura atómica confirmaron los resultados de las mediciones».
Los estados recién caracterizados podrían tener aplicaciones en la computación cuántica y los relojes atómicos. Los investigadores están especialmente entusiasmados con el estado que tiene una vida media de 1 segundo. Los cálculos muestran que se puede alcanzar desde el estado fundamental con relativa facilidad, utilizando tan solo un único pulso láser. La vida media de 1 segundo y la intensidad prevista de la transición sugieren que podría utilizarse para mejorar significativamente la detección de estados de bits cuánticos (qubits) y sus análogos generalizados (los denominados «qudits») en iones de iterbio.
En lo que respecta a este estado concreto, la investigación responde a una pregunta formulada hace treinta y cinco años por los físicos teóricos Fawcett y Wilson, quienes predijeron una vida media de 5,2 segundos para el mismo estado y solicitaron su confirmación experimental. Teniendo en cuenta lo compleja que es la estructura de los niveles de energía del Yb⁺, ¡su predicción resultó ser bastante acertada!
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